基于amesim的大型液压升降平台建模与仿真

基于amesim的大型液压升降平台建模与仿真

0液压系统建模及仿真大型液体提升平台是一项重要的物资提升工具，尤其是在大负荷的情况下，由于液压机的巨大功率成本比，液压机提升平台具有很强的优越性。然而液压系统设计存在着参数选择及匹配问题,如何根据系统设计要求,确定出合理的参数往往是系统设计的难点,传统的液压系统设计一般通过经验公式反复计算确定参数,需要占用大量的计算时间,利用环境模拟仿真软件(AMESIM,EASY5),构建出整个液压系统模型,并进行的仿真实验,方便了液压部件参数的确定和优化。某型液压平台动力系统简图如图1所示,平台周期性间歇工作,工作时间比较短,但工作时需供应高压、大流量的液压油;非工作时间比较长,有足够的补油时间,考虑到经济性和实用性,设计采用蓄能器组代替大功率泵站对提升机构的短时间供油。在非工作阶段时,由小功率泵站对蓄能器组进行充油;在工作阶段时,由蓄能器组和泵站联合进行供油,这样可以满足以较小的装机功率来完成系统设计,达到节能的要求。蓄能器参数的选取显得尤其重要,本文通过应用液压/机械系统仿真软件AMESIM,仿真确定蓄能器组参数,使得液压升降平台能在30s时间内以给定的平台上升速度曲线(图2)和下降速度曲线(图3),把近1000kN的负载提升到10m左右。从而为升降平台的总体设计提供参考依据。1系统建模1.1平台动力学方程作用在平台上的力主要由钢丝绳拉力F、平台重力mg两部分组成(忽略平台受到的各种阻力),力平衡方程如下:F-(m1+m2)g=(m1+m2)a1(1)平台运动方程如下所示:v1=v0+a1t(2)x1=v0t+0.5a1t2(3)式中:m1为平台质量;m2为负载质量;a1为平台加速度;v1为平台速度;x1为平台位移。1.2力平衡方程的建立作用在液压缸上的力主要由液压力p′S、钢丝绳作用力2F两部分组成(忽略液压缸及滑轮组受的阻力)。力平衡方程p′S-2F=m3a2(4)运动方程v2=v0+a2t(5)x2=v0t+0.5a2t2(6)式中:m3为液压缸柱塞及附件质量;S为液压缸柱塞面积;a2为柱塞加速度,a2=0.5a1;v2为柱塞速度,v2=0.5v1;x2为柱塞位移,x2=0.5x1。1.3蓄能器工区压力计算由于系统工作时间小于1min,所以蓄能器工作在绝热过程中,其工作方程如下所示:p0V1.4001.4=p1V1.4111.4=p2V1.4221.4=pV1.4=G(7)式中:p0为蓄能器充气压力;V0为蓄能器体积;p1为蓄能器最低工作压力;V1为相应于最低工作压力时气体体积;p2为蓄能器最高工作压力;V2为相应于最高工作压力时气体体积;p为蓄能器瞬时压力;V为瞬时气体体积。1.4伺服阀阀口开度设计伺服阀阀芯直径d=200mm,最大位移为hmax=10mm。选取流量系数为Cd=0.63;流体密度ρ=1060kg/m3;由流量公式得,伺服阀在额定流量时的阀口开度h。h=QπdCdρ√2Δp√h=QπdCdρ2Δp(8)其中:Q为通过伺服阀的流量;Δp为伺服阀阀口压差。通过优化算法确定PID参数,控制伺服阀阀口的开度,配合蓄能器一起实现平台的动态性能要求。整体的AMESIM模型如图4所示。其优化目标函数为f(x)=∫T00Τ[v(t)-v0]2dt(9)其中:T为平台运行时间;v(t)为平台实际速度;v0为平台给定速度。优化确定的Kp、Ki、Kd值为2.898、4.339、0时平台上升的实际运行情况和给定速度情况如图5所示。2最高工作压力p本系统主要是在满足平台动态性能的前提下,确定高、低压蓄能器个数与蓄能器充气压力、最低工作压力、最高工作压力3个关键参数之间的关系。蓄能器作为蓄能用时,在保护胶囊,延长使用寿命的条件下,折合型气囊p0≈(0.8～0.85)p1,最高工作压力p2≤3p1。本系统取p0=0.8p1,则可算出单个蓄能器在最低工作压力下气体体积V1。p0V1.4001.4=p1V1.4111.4⇒0.8p1V1.4001.4=p1V1.4111.4⇒V1=exp(log(0.8V1.4001.4)/1.4)(10)初选单个蓄能器体积V0为160L,蓄能器在最低工作压力时压缩腔内空气体积为V1=0.1364264m3又液压平台推动用液压缸内柱塞移动所需的体积:Vw=x2S=5.1×0.352565=1.79808m3(11)则最高工作压力下蓄能器压缩腔内气体体积V2为V2=0.1364264-Vw/a(12)式中:a为蓄能器个数。2.1约束条件的优化在AMESim软件中提供了设计开发模块,利用这些技术可以拓展设计空间。本文利用建立的液压升降平台液压系统模型,通过对蓄能器组的最高工作压力、充气压力进行试验研究以达到确定这些参数的目的。首先,设置输入输出参数,从上面的分析中,可以得到当采用40个160L蓄能器时,平台运行到位时,蓄能器组内气体体积为0.1364264×40=5.457m3;蓄能器组内最低工作压力应略大于或等于负载作用在动力缸上的压力5.78MPa。因而,以上述两个条件作为优化约束条件。在满足上述条件时,如果伺服阀阀芯的最大开度越大,则所需的最高工作压力越低,因而,以阀芯最大开度不超过10mm时所能得到的最低充油压力作为响应目标。在完成参数设置之后,选择合适的算法进行计算,AMESim提供了两种算法,本文选择了NLPQL算法。通过计算后可以得到如下结果,蓄能器个数N从40—50之间变化时,蓄能器的最高工作压力,充气压力、最终压力,其值如表1所示。蓄能器压力、阀芯位移及动力缸压力变化曲线如图6所示。蓄能器最终工作压力维持在5.8MPa,伺服阀通过PID控制器的调节作用,最大的开度都低于10mm。2.2平台下降压力优化算法低压蓄能器组在本系统中可起到压力油箱的作用,因而提高低压蓄能器组在初始状态下的充油压力,有助于减小泵两端的出口压力,从而达到提高泵排量,减小装机功率的目的。平台下降时,优化算法同高压蓄能器组设计,确定蓄能器充油压力、充气压力、最终压力等参数如表2所示。在满足最小充油压力下,蓄能器压力、阀芯位移及动力缸压力变化曲线如图7所示。低压蓄能器最终压力为5.8MPa,同时伺服阀最大开度低于10mm,平台下降